JP2011244246A - Solid-state image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は固体素子を用いた固体撮像装置に関し、特にMOSトランジスタを用いたCMOS固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device using a solid element, and more particularly to a CMOS solid-state imaging device using a MOS transistor.
固体撮像装置は、CCD(Charge Coupled Device)固体撮像装置とCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)固体撮像装置とに大別される。CMOS固体撮像装置は、CCD固体撮像素子に比べて低消費電力であるという特徴があり、近年、高画素化が進んでいる。高画素数のCMOS固体撮像装置では、動画像を撮影するときのように高速の読出が必要な場合には、隣接画素の信号を加算する画素加算がしばしば行なわれる。 Solid-state imaging devices are roughly classified into CCD (Charge Coupled Device) solid-state imaging devices and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) solid-state imaging devices. CMOS solid-state imaging devices are characterized by low power consumption compared to CCD solid-state imaging devices, and in recent years, the number of pixels has been increasing. In a CMOS solid-state imaging device having a large number of pixels, when high-speed readout is required as in the case of capturing a moving image, pixel addition for adding signals of adjacent pixels is often performed.
たとえば、特開2005−277709号公報(特許文献1)に開示されたCMOS固体撮像装置では、各読出信号線に対応して複数の容量素子が配置され、対応の列の異なる行から読出された画素信号がこれらの容量素子に格納される。次いで、これらの容量素子がスイッチトランジスタで短絡され、異なる行の画素信号の平均化が行なわれる。このとき併せて、隣接列の容量素子がスイッチトランジスタにより電気的に短絡され、最大4画素を1画素に圧縮するサブサンプリング動作(画素加算)が実行される。 For example, in a CMOS solid-state imaging device disclosed in Japanese Patent Laying-Open No. 2005-277709 (Patent Document 1), a plurality of capacitive elements are arranged corresponding to each readout signal line, and readout is performed from different rows in the corresponding column. Pixel signals are stored in these capacitive elements. Next, these capacitive elements are short-circuited by switch transistors, and the pixel signals of different rows are averaged. At the same time, the capacitor elements in the adjacent columns are electrically short-circuited by the switch transistor, and a sub-sampling operation (pixel addition) for compressing a maximum of four pixels into one pixel is executed.
画素加算の可能な他のCMOS固体撮像装置の例が特開2008−98834号公報(特許文献2)に開示される。この文献の固体撮像装置では、受光面に画素ブロックがマトリックス状に配置される。各画素ブロック内には4行4列に並ぶ16個の画素が配置される。垂直方向に並ぶ4個の画素のフローティングディフュージョンが垂直FD接続線で接続される。第1、3列目の垂直FD接続線が第1の水平FD接続線で接続される。第2、4列目の垂直FD接続線が第2の水平FD接続線で接続される。増幅トランジスタおよび行選択トランジスタを介して第1、2列目の垂直FD接続線がそれぞれ第1、第2の垂直読出線に接続される。 An example of another CMOS solid-state imaging device capable of pixel addition is disclosed in Japanese Patent Laying-Open No. 2008-98834 (Patent Document 2). In the solid-state imaging device of this document, pixel blocks are arranged in a matrix on the light receiving surface. In each pixel block, 16 pixels arranged in 4 rows and 4 columns are arranged. The floating diffusions of four pixels arranged in the vertical direction are connected by a vertical FD connection line. The first and third vertical FD connection lines are connected by the first horizontal FD connection line. The second and fourth vertical FD connection lines are connected by the second horizontal FD connection line. The first and second vertical FD connection lines are connected to the first and second vertical read lines through the amplification transistor and the row selection transistor, respectively.
CMOS固体撮像装置の技術的課題の1つに、グローバル電子シャッタの実現がある。CMOS固体撮像装置は、CCD固体撮像装置と異なり、その構造および回路構成から、走査線ごとに順次シャッタを切るローリングシャッタは容易に実現できるが、1画面で同時にシャッタを切るグローバル電子シャッタの実現はこれまで困難とされてきた。 One of the technical problems with CMOS solid-state imaging devices is the realization of a global electronic shutter. Unlike a CCD solid-state imaging device, a CMOS solid-state imaging device can easily realize a rolling shutter that sequentially releases a shutter for each scanning line due to its structure and circuit configuration. It has been considered difficult so far.
特開2005−65074号公報(特許文献3)は、グローバル電子シャッタ機能を実現するCMOS固体撮像装置の構成の一例を開示する。この文献に記載された第1の固体撮像装置は、光電変換を行う手段と、光電変換手段により発生した信号電荷を次段へ転送するゲート手段と、ゲート手段からの信号電荷を蓄積する蓄積手段と、蓄積手段の信号電荷をリセットするリセット手段と、蓄積手段からの信号を一時記憶する記憶手段と、リセット手段によるリセット電圧と記憶手段に記憶された電圧に基づきリセットノイズを低減する手段とを各画素内に備える。この文献に記載された第2の固体撮像装置は、光電変換を行う手段と、光電変換手段により発生した信号電荷を次段へ転送するゲート手段と、ゲート手段からの信号電荷を蓄積する蓄積手段と、信号電荷をリセットするリセット手段と、信号電荷のリセット時の電圧を記憶する第1記憶手段と、光電変換手段からの信号電圧を記憶するための第2記憶手段とを各画素内に備える。第1および第2記憶手段に記憶された電圧は、イメージアレイの外で差計算され、リセットノイズキャンセルするために差動電圧として出力される。 Japanese Patent Laying-Open No. 2005-65074 (Patent Document 3) discloses an example of a configuration of a CMOS solid-state imaging device that realizes a global electronic shutter function. The first solid-state imaging device described in this document includes means for performing photoelectric conversion, gate means for transferring signal charges generated by the photoelectric conversion means to the next stage, and storage means for accumulating signal charges from the gate means. And reset means for resetting the signal charge of the storage means, storage means for temporarily storing the signal from the storage means, and means for reducing reset noise based on the reset voltage by the reset means and the voltage stored in the storage means Provided in each pixel. The second solid-state imaging device described in this document includes means for performing photoelectric conversion, gate means for transferring signal charges generated by the photoelectric conversion means to the next stage, and storage means for accumulating signal charges from the gate means. A reset means for resetting the signal charge, a first storage means for storing the voltage at the time of resetting the signal charge, and a second storage means for storing the signal voltage from the photoelectric conversion means. . The voltages stored in the first and second storage means are difference-calculated outside the image array and output as a differential voltage to cancel the reset noise.
上記の画素加算機能およびグローバル電子シャッタ機能は、CMOS固体撮像装置を用いて動画像を撮影する際に重要な技術であるが、両機能を両立したCMOS固体撮像装置はこれまで実現されていない。 The above-described pixel addition function and global electronic shutter function are important techniques for capturing a moving image using a CMOS solid-state imaging device, but a CMOS solid-state imaging device that has both functions has not been realized so far.
この発明の目的は、画素加算機能とグローバル電子シャッタ機能とを両立した固体撮像装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that has both a pixel addition function and a global electronic shutter function.
この発明の実施の一形態による固体撮像装置は、行列状に配設された複数の画素を有する画素アレイと、画素アレイの各列に個別に対応して設けられた複数の列信号線とを備える。画素アレイを構成する複数の画素の各々は、撮像部と、第1の容量素子と、第1の切替部とを含む。撮像部は、光電変換によって生成された電荷量に応じた第1の電圧を出力する。第1の容量素子は、その一端が基準電圧を与える基準ノードに接続される。第1の切替部は、第1の容量素子の他端が撮像部の出力ノードに接続された状態、第1の容量素子の他端が対応の列信号線に接続された状態、および第1の容量素子の他端が撮像部の出力ノードおよび対応の列信号線の両方に非接続の状態のいずれか1つの状態に切替える。 A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention includes a pixel array having a plurality of pixels arranged in a matrix, and a plurality of column signal lines provided corresponding to each column of the pixel array. Prepare. Each of the plurality of pixels constituting the pixel array includes an imaging unit, a first capacitive element, and a first switching unit. The imaging unit outputs a first voltage corresponding to the amount of charge generated by photoelectric conversion. One end of the first capacitive element is connected to a reference node that provides a reference voltage. The first switching unit includes a state in which the other end of the first capacitor is connected to the output node of the imaging unit, a state in which the other end of the first capacitor is connected to the corresponding column signal line, and a first The other end of the capacitive element is switched to one of the states in which the other end of the capacitive element is not connected to both the output node of the imaging unit and the corresponding column signal line.
上記の実施の形態による固体撮像装置によれば、各画素において、生成した電荷量に応じた電圧を第1の容量素子に保持することができるので、グローバル電子シャッタを実現できる。さらに、第1の切替部を用いて、同一列の複数画素の第1の容量素子を対応の列信号線に接続することができるので、加算読出を行なうことができる。 According to the solid-state imaging device according to the above embodiment, a voltage corresponding to the generated charge amount can be held in the first capacitor element in each pixel, so that a global electronic shutter can be realized. Furthermore, since the first capacitor elements of a plurality of pixels in the same column can be connected to the corresponding column signal line using the first switching unit, addition reading can be performed.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
<実施の形態1>
図1は、この発明の実施の形態1による固体撮像装置1の構成を示すブロック図である。図1に示すように、固体撮像装置1は、複数の画素PEが行列状に配列された画素アレイ10を含む。図1において、X方向を行方向(水平方向)とし、Y方向を列方向(垂直方向)とする。第m行、第n列目の画素を画素PE(m,n)と記載する。画素アレイ10には多数の画素PEが含まれるが、図1では図解を容易にするために2行、4列の画素PEが記載される。
<
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid-
固体撮像装置1は、さらに、画素アレイ10の各列に個別に対応して設けられた列信号線(垂直信号線)CL(CL(1),CL(2),…)と、行ごとに6本ずつ設けられた行信号線(水平信号線)とを含む。列信号線CLは、各画素PEの出力信号を読出すときに用いられる。各列信号線CLは、接地ノードGNDとの間に寄生容量Cv(垂直信号線容量)を有する(総称する場合、容量24と記載する)。各行に設けられた行信号線には、制御信号φTX,φRST,φSWdi,φSWsi,φSWdo,φSWsoが与えられる。制御信号φTX,φRST,φSWdi,φSWsiは各行で共通の信号であり、制御信号φSWdo,φSWsoは各行で別々の信号である。以下、第m行目の制御信号φSWdo,φSWsoをφSWdo(m),φSWso(m)と記載する。
The solid-
固体撮像装置1は、さらに、プリチャージ部25と、切替部30と、各列信号線CLに対応して設けられたカラムアンプCAMPおよびアナログ/デジタル(A/D)変換器ADCと、制御部20とを含む。
The solid-
プリチャージ部25は、各列信号線CLにソース電極が接続されたMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ(プリチャージトランジスタTpreと称する)と、プリチャージトランジスタTpreのゲート電極に制御信号φPREを供給する行信号線とを含む。各プリチャージトランジスタTpreのドレイン電極にはプリチャージ電圧Vpreが供給される。各列信号線CLは、各画素PEから画像信号を読出す前に対応のプリチャージトランジスタTpreを介して所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
The
切替部30は、MOSトランジスタによって構成される複数のスイッチトランジスタTadd,Tlineと、制御信号φADD,φLINE1,φLINE2を供給する3本の行信号線とを含む。
The switching
図1に示すように、第1番目のスイッチトランジスタTaddは、第1列目の列信号線CL(1)と第2列目の列信号線CL(2)とに接続される。同様に、第i番目(ただし、iは1以上の整数)のスイッチトランジスタTaddは、第2i−1列目の列信号線CL(2i−1)と第2i列目の列信号線CL(2i)(ただし、iは1以上の整数)とに接続される。すなわち、図1の場合には、第2i−1列目の列信号線CL(2i−1)と第2i列目の列信号線CL(i)との2本の列信号線によってグループが構成され、各グループ内の列信号線CLがスイッチトランジスタTaddによって相互に接続される。各スイッチトランジスタTaddのゲート電極には制御信号φADDが供給される。 As shown in FIG. 1, the first switch transistor Tadd is connected to the first column signal line CL (1) and the second column signal line CL (2). Similarly, the i-th (where i is an integer equal to or greater than 1) switch transistor Tadd includes the column signal line CL (2i−1) of the 2i−1th column and the column signal line CL (2i of the 2ith column). ) (Where i is an integer of 1 or more). That is, in the case of FIG. 1, a group is constituted by two column signal lines, ie, the column signal line CL (2i-1) of the 2i-1th column and the column signal line CL (i) of the 2ith column. The column signal lines CL in each group are connected to each other by the switch transistor Tadd. A control signal φADD is supplied to the gate electrode of each switch transistor Tadd.
スイッチトランジスタTlineは、各列信号線CLに挿入される。各スイッチトランジスタTlineは、対応の列信号線CLに設けられたカラムアンプCAMPの入力ノードと、対応の列信号線CLとスイッチトランジスタTaddとを接続する接続ノードとの間に設けられる。奇数列の列信号線CL(1),CL(3),…に挿入されたスイッチトランジスタTlineのゲート電極には制御信号φLINE1が供給され、偶数列の列信号線CL(2),CL(4),…に挿入されたスイッチトランジスタTlineのゲート電極には制御信号φLINE2が供給される。図3、図4で説明するように、切替部30は互いに異なる列に設けられた複数画素に対して加算読出を行なうために設けられている。
The switch transistor Tline is inserted in each column signal line CL. Each switch transistor Tline is provided between an input node of a column amplifier CAMP provided on the corresponding column signal line CL and a connection node connecting the corresponding column signal line CL and the switch transistor Tadd. A control signal φLINE1 is supplied to the gate electrode of the switch transistor Tline inserted in the column signal lines CL (1), CL (3),... In the odd columns, and the column signal lines CL (2), CL (4 in the even columns. The control signal φLINE2 is supplied to the gate electrode of the switch transistor Tline inserted in),. As will be described with reference to FIGS. 3 and 4, the switching
カラムアンプCAMPは、対応の列信号線CLに接続された各画素PEから出力された信号を受ける。図2で説明するように、各画素PEは、光電変換によって生成された電荷量に応じた信号(光信号と称する)と、光電変換によって生成された電荷がリセットされたとき信号(暗信号と称する)とを出力する。カラムアンプCAMPは、これらの光信号および暗信号をサンプル・ホールドし、光信号と暗信号との差信号を増幅して出力する。光信号と暗信号との差分に基づいて画像信号を得る動作はCDS(Correlated Double Sampling)動作と呼ばれる。 The column amplifier CAMP receives a signal output from each pixel PE connected to the corresponding column signal line CL. As illustrated in FIG. 2, each pixel PE has a signal (referred to as an optical signal) corresponding to the amount of electric charge generated by photoelectric conversion, and a signal (dark signal and signal) when the electric charge generated by photoelectric conversion is reset. Output). The column amplifier CAMP samples and holds these optical signals and dark signals, and amplifies and outputs a difference signal between the optical signals and the dark signals. An operation for obtaining an image signal based on a difference between an optical signal and a dark signal is called a CDS (Correlated Double Sampling) operation.
A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して、デジタルビット列を出力する。 The A / D converter ADC digitally converts the output of the corresponding column amplifier CAMP and outputs a digital bit string.
制御部20は、垂直走査回路22と制御論理回路21とを含む。垂直走査回路22は、信号生成回路23と、画素アレイ10の各行の行信号線に対応して設けられたバッファ回路B1〜B6とを含む。信号生成回路23は、制御論理回路21の指令に基づいて、制御信号φTX,φRST,φSWdi,φSWsi,φSWdo,φSWsoを出力する。出力された制御信号φTX,φRST,φSWdi,φSWsi,φSWdo,φSWsoは、行ごとにバッファ回路B1〜B6で増幅されて各行信号線に供給される。
The
制御論理回路21は、信号生成回路23を制御するとともに、プリチャージ部25および切替部30に供給する制御信号φPRE,φADD,φLINE1,φLINE2を生成する。制御論理回路21は、さらに、各列信号線CLに対応して設けられたA/D変換器ADCから出力されたデジタルビット列を受けて、固体撮像装置1の外部に出力する。
The
図2は、第m行、第n列目の画素PE(m,n)の構成を示す回路図である。図1の画素アレイ10を構成する画素PEはいずれも同じ構成を有しているので、図2には画素PE(m,n)の構成が代表として示される。図2に示すように、画素PE(m,n)は、撮像部11と、切替部12と、容量素子Cd,Csとを含む。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the pixel PE (m, n) in the m-th row and the n-th column. Since all of the pixels PE constituting the
撮像部11は、MOSトランジスタなどの半導体素子によって構成される。具体的には、撮像部11は、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTXと、フローティングディフュージョンFDと、増幅トランジスタAMIと、リセットトランジスタRSTと、電流源ISSとを含む。
The
フォトダイオードPDは、光電変換によって受光量に応じた電荷を生成する。フォトダイオードに代えてフォトトランジスタなどのその他の光電変換素子を用いてもよい。転送トランジスタTXは、フォトダイオードPDのカソードとフローティングディフュージョンFDとの間に接続される。転送トランジスタTXは、そのゲート電極に供給された制御信号φTXに応答して、フォトダイオードPDで生成された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDは、半導体基板上に形成された高濃度の不純物領域であり、電気的に浮遊状態となっており、転送トランジスタTXから転送された電荷を蓄積する。フローティングディフュージョンFDの電位は、蓄積された電荷量に応じて決まる。増幅トランジスタAMIは、そのドレイン電極が電源ノードVCCに接続され、そのゲート電極がフローティングディフュージョンFDに接続され、そのソース電極が撮像部11の出力ノード13として電流源ISSに接続される。増幅トランジスタAMIによってソースフォロアが構成されるので、増幅トランジスタAMIのソース電極(出力ノード13)には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が生じる。リセットトランジスタRSTは、電源ノードVCCとフローティングディフュージョンFDとの間に接続される。リセットトランジスタRSTは、そのゲート電極に供給された制御信号φRSTに応答してフローティングディフュージョンFDを空乏化することによって、フローティングディフュージョンFDの電圧をリセットする。
The photodiode PD generates a charge corresponding to the amount of received light by photoelectric conversion. Instead of the photodiode, another photoelectric conversion element such as a phototransistor may be used. The transfer transistor TX is connected between the cathode of the photodiode PD and the floating diffusion FD. The transfer transistor TX transfers the charge generated by the photodiode PD to the floating diffusion FD in response to the control signal φTX supplied to the gate electrode. The floating diffusion FD is a high-concentration impurity region formed on the semiconductor substrate, is in an electrically floating state, and accumulates the charge transferred from the transfer transistor TX. The potential of the floating diffusion FD is determined according to the amount of accumulated charge. The amplification transistor AMI has a drain electrode connected to the power supply node VCC, a gate electrode connected to the floating diffusion FD, and a source electrode connected to the current source ISS as the
切替部12は、MOSトランジスタによって構成されたスイッチトランジスタSWdi,SWsi,SWdi,SWdoを含む。スイッチトランジスタSWdi,SWdoは、この順で、撮像部11の出力ノード13と対応の列信号線CL(n)との間に直列に接続される。スイッチトランジスタSWdi,SWdoの接続ノード14と接地ノードGNDとの間に容量素子Cdが設けられる。スイッチトランジスタSWdiのゲート電極には制御信号φSWdiが供給され、スイッチトランジスタSWdoのゲート電極には制御信号φSWdo(m)が供給される。スイッチトランジスタSWsi,SWsoは、この順で、撮像部11の出力ノード13と対応の列信号線CL(n)との間に直列に接続される。スイッチトランジスタSWsi,SWsoの接続ノード15と接地ノードGNDとの間に容量素子Csが設けられる。スイッチトランジスタSWsiのゲート電極には制御信号φSWsiが供給され、スイッチトランジスタSWsoのゲート電極には制御信号φSWso(m)が供給される。
The switching
容量素子Cd,Csは、それぞれ、撮像部11から出力された暗信号、光信号を保持するために設けられる。暗信号を容量素子Cdに保持する場合には、リセットトランジスタRSTによってフローティングディフュージョンFDの電圧をリセットした後に、スイッチトランジスタSWdiをオン状態にする。これによって、リセット時の増幅トランジスタAMIの出力電圧と容量素子Cdの電圧とを等しくすることができる。光信号を容量素子Csに保持する場合には、転送トランジスタTXによってフォトダイオードPDに発生した電荷をフローティングディフュージョンFDに転送した後に、スイッチトランジスタSWsiをオン状態にする。これによって、光電変換によって生成された電荷量に応じた増幅トランジスタAMIの出力電圧と容量素子Csの電圧とを等しくすることができる。以上の動作は、各画素PEで並行して行なうことができるので、グローバル電子シャッタが実現される。
The capacitive elements Cd and Cs are provided to hold the dark signal and the optical signal output from the
上記の容量素子Cd,Csの構造は特に限定されない。たとえば、2層のポリシリコン層で酸化膜を挟んだダブル・ポリキャパシタの構造であってもよいし、2層の金属層で絶縁層を挟んだメタル−メタル・キャパシタの構造であってもよい。もしくは、MOSトランジスタのゲート電極と拡散層との間をキャパシタとして利用してもよい。 The structures of the capacitive elements Cd and Cs are not particularly limited. For example, a double polycapacitor structure in which an oxide film is sandwiched between two polysilicon layers or a metal-metal capacitor structure in which an insulating layer is sandwiched between two metal layers may be used. . Alternatively, the space between the gate electrode of the MOS transistor and the diffusion layer may be used as a capacitor.
従来の一般的なCMOS固体撮像装置には、上記の容量素子Cd,Csが設けられていない。従来の構成でも、短時間であればフローティングディフュージョンFDに電荷を保持しておくことは可能であるが、たとえば、毎秒16フレームの動画像を撮影するために1/16秒間、フローティングディフュージョンFDに電荷を保持しようとすると漏れ電流などのノイズが増大してしまう。したがって、従来のCMOS固体撮像装置ではグローバル電子シャッタを実現することは困難と考えられていた。実施の形態1の固体撮像装置1では、暗信号および光信号を保持する容量素子Cd,Csを各画素に設けることによってグローバル電子シャッタを実現することができる。
The conventional general CMOS solid-state imaging device is not provided with the capacitive elements Cd and Cs. Even in the conventional configuration, it is possible to hold the charge in the floating diffusion FD for a short time. For example, in order to take a moving image of 16 frames per second, the charge is stored in the floating diffusion FD for 1/16 second. If it tries to hold, noise such as leakage current will increase. Therefore, it has been considered difficult to realize a global electronic shutter with a conventional CMOS solid-state imaging device. In the solid-
一方、図2の画素PE(m,n)において、容量素子Cdに保持された暗信号を読み出す場合には、制御信号φSWdo(m)をハイレベルに活性化することによってスイッチトランジスタSWdoをオン状態にする。容量素子Csに保持された光信号を読み出す場合には、制御信号φSWso(m)をハイレベルに活性化することによってスイッチトランジスタSWsoをオン状態にする。図3、図4で説明するように、同一列の所定数のスイッチトランジスタSWdoを同時にオン状態にすることによって、容量素子Cdに保持された暗信号を加算して読み出すことができる。同様に、同一列の画素で所定数のスイッチトランジスタSWsoを同時にオン状態にすることによって、容量素子Csに保持された光信号を加算して読み出すことができる。 On the other hand, in the pixel PE (m, n) of FIG. 2, when the dark signal held in the capacitive element Cd is read, the switch transistor SWdo is turned on by activating the control signal φSWdo (m) to a high level. To. When reading the optical signal held in the capacitive element Cs, the switch transistor SWso is turned on by activating the control signal φSWso (m) to a high level. As described with reference to FIGS. 3 and 4, by simultaneously turning on a predetermined number of switch transistors SWdo in the same column, the dark signals held in the capacitor Cd can be added and read. Similarly, by simultaneously turning on a predetermined number of switch transistors SWso in pixels in the same column, the optical signals held in the capacitor Cs can be added and read out.
次に、図3、図4のタイミング図を参照して固体撮像装置1の動作について説明する。固体撮像装置1は、動作モードとして全画素読出モードと加算読出モードとを有する。全画素読出モードでは、各画素の容量素子Cd,Csに保持された暗信号および光信号が行ごとに個別に読み出される。加算読出モードでは、各画素の容量素子Cd,Csに保持された暗信号および光信号が所定数の画素ごとに加算して読み出される。図1の固体撮像装置1の場合には、行方向に2個、列方向に2個(2×2)の合計4個の画素の加算読出が行なわれる。
Next, the operation of the solid-
図3は、全画素読出モードにおける固体撮像装置1の動作を説明するためのタイミング図である。図3には、図1の垂直走査回路22から出力される制御信号φRST,φTX,φSWdi,φSWsi,φSWdo(1),φSWso(1),φSWdo(2),φSWso(2)の各パルス波形と、プリチャージ部25および切替部30に設けられた水平信号線に供給される制御信号φPRE,φADD,φLINE1,φLINE2の各パルス波形とが示される。制御信号φSWdo,φSWsoについては、第1行目と第2行目の信号のみが示されている。
FIG. 3 is a timing diagram for explaining the operation of the solid-
全画素読出モードでは、制御信号φADDが常にロー(L)レベル(非活性状態)であり、制御信号φLINE1,φLINE2が常にハイ(H)レベル(活性状態)である。これによって、切替部30のスイッチトランジスタTaddはオフ状態になり、スイッチトランジスタTlineはオン状態になる。
In the all-pixel readout mode, the control signal φADD is always at the low (L) level (inactive state), and the control signals φLINE1 and φLINE2 are always at the high (H) level (active state). As a result, the switch transistor Tadd of the switching
図1〜図3を参照して、図3の時刻t10から時刻t20の間、垂直走査回路22から出力される制御信号φRST,φTXがハイレベル(活性状態)になる(この間、垂直走査回路22から出力される他の制御信号は全てローレベル(非活性状態)である)。これによって、画素アレイ10を構成する各画素PEにおいて、転送トランジスタTXおよびリセットトランジスタRSTがオン状態になるので、フォトダイオードPDで生成された電荷およびフローティングディフュージョンFDに蓄積された電荷がリセットされる。
1 to 3, the control signals φRST and φTX output from the
次の時刻t20に制御信号φRST,φTXがローレベルになる。時刻t20から時刻t30の間、垂直走査回路22から出力される全ての制御信号がローレベルであるので、、各画素において、撮像部11を構成するトランジスタTX,RST,SWdi,SWsi,SWdo,SWsoがオフ状態になる。この結果、フォトダイオードPDには、光電変換によって受光量に応じた電荷が生成されて蓄積される。
At the next time t20, the control signals φRST and φTX become low level. Since all the control signals output from the
次の時刻t30から時刻t31の間、制御信号φRSTが活性化されることによって、各画素においてリセットトランジスタRSTがオン状態になる。続く時刻t31から時刻t32の間、制御信号φSWdiが活性化されることによって、各画素においてスイッチトランジスタSWdiがオン状態になる。この結果、リセット状態のフローティングディフュージョンFDの電位に応じた増幅トランジスタAMIの出力電圧(暗信号)が、容量素子Cdに保持される。 During the next time t30 to time t31, the control signal φRST is activated, whereby the reset transistor RST is turned on in each pixel. During the subsequent time t31 to time t32, the control signal φSWdi is activated, whereby the switch transistor SWdi is turned on in each pixel. As a result, the output voltage (dark signal) of the amplification transistor AMI corresponding to the potential of the floating diffusion FD in the reset state is held in the capacitive element Cd.
次の時刻t32から時刻t33の間、制御信号φTXが活性化されることによって転送トランジスタTXがオン状態になる。これによって、時刻t20以降にフォトダイオードPDで生成され蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFDに転送される。続く時刻t33から時刻t34の間、制御信号φSWsiが活性化されることによって、各画素においてスイッチトランジスタSWsiがオン状態になる。この結果、フローティングディフュージョンFDに蓄積された電荷量に応じた増幅トランジスタAMIの出力電圧(光信号)が、容量素子Csに保持される。以上の時刻t30から時刻t34の動作は各画素において同時に実行されるので、グローバル電子シャッタが実行されることになる。 During the next time t32 to time t33, the transfer signal TX is turned on by activating the control signal φTX. As a result, the charge generated and accumulated by the photodiode PD after time t20 is transferred to the floating diffusion FD. During the subsequent time t33 to time t34, the control signal φSWsi is activated, so that the switch transistor SWsi is turned on in each pixel. As a result, the output voltage (optical signal) of the amplification transistor AMI corresponding to the amount of charge accumulated in the floating diffusion FD is held in the capacitive element Cs. Since the operations from time t30 to time t34 are simultaneously executed in each pixel, the global electronic shutter is executed.
次の時刻t40から時刻t50の間で、画素アレイ10の第1行目の各画素の暗信号および光信号が読み出される。まず、時刻t41から時刻t42の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
Between the next time t40 and time t50, the dark signal and the optical signal of each pixel in the first row of the
次の時刻t42から時刻t43の間で制御信号φSWdo(1)が活性化されることによって、画素アレイ10の第1行目の各画素において、スイッチトランジスタSWdoがオン状態になる。この結果、第1行目の各画素の容量素子Cdに保持された電圧(暗信号)に応じて各列信号線CLの電圧が変化する。変化後の各列信号線CLの電圧が各カラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
The control signal φSWdo (1) is activated between the next time t42 and time t43, whereby the switch transistor SWdo is turned on in each pixel in the first row of the
次の時刻t43から時刻t44の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
When the control signal φPRE is activated between the next time t43 and time t44, each precharge transistor Tpre of the
次の時刻t44から時刻t45の間で制御信号φSWso(1)が活性化されることによって、画素アレイ10の第1行目の各画素において、スイッチトランジスタSWsoがオン状態になる。この結果、第1行目の各画素の容量素子Csに保持された電圧(光信号)に応じて各列信号線CLの電圧が変化する。変化後の各列信号線CLの電圧が各カラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。各カラムアンプCAMPは、サンプル・ホールドした光信号に対応する電圧と暗信号に対応する電圧との差分を増幅して出力する。各A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して制御論理回路21に出力する。以上で第1行目の各画素で生成された画像信号の読出が完了する。
When the control signal φSWso (1) is activated between the next time t44 and time t45, the switch transistor SWso is turned on in each pixel in the first row of the
次の時刻t50から時刻t60の間で、画素アレイ10の第2行目に各画素の暗信号および光信号が読み出される。この読出動作は、上述の第1行目の画像信号の読出動作と同様であるので以下簡単に説明する。まず、時刻t51から時刻t52の間で制御信号φPREが活性化されることによって、各列信号線CLが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。次の時刻t52から時刻t53の間で制御信号φSWdo(2)が活性化されることによって、第2行目の各画素の容量素子Cdに保持された暗信号が読み出され、各列のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。次の時刻t53から時刻t54の間で制御信号φPREが活性化されることによって、各列信号線CLが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。次の時刻t54からt55の間で制御信号φSWso(2)が活性化されることによって、第2行目の各画素の容量素子Csに保持された光信号が読み出され、各列のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。各カラムアンプCAMPは、サンプル・ホールドした光信号に対応する電圧と暗信号に対応する電圧との差分を増幅して出力する。各A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して制御論理回路21に出力する。
Between the next time t50 and time t60, the dark signal and the optical signal of each pixel are read out to the second row of the
以上で第2行目の各画素で生成された画像信号の読出が完了する。第3行目以降から最終行までについて上記の動作が繰返されることによって、画素アレイ10の各画素で生成された画像信号の読出が終了する。
Thus, reading of the image signal generated at each pixel in the second row is completed. By repeating the above operation from the third row to the last row, the reading of the image signal generated in each pixel of the
図4は、加算読出モードにおける固体撮像装置1の動作を説明するためのタイミング図である。図4には、図1の垂直走査回路22から出力される制御信号φRST,φTX,φSWdi,φSWsi,φSWdo(1),φSWso(1),φSWdo(2),φSWso(2)の各パルス波形と、プリチャージ部25および切替部30に設けられた水平信号線に供給される制御信号φPRE,φADD,φLINE1,φLINE2の各パルス波形とが示される。制御信号φSWdo,φSWsoについては、第1行目と第2行目の信号のみが示されている。
FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the solid-
加算読出モードでは、制御信号φADDが常にハイ(H)レベルであり、制御信号φLINE1が常にハイ(H)レベルであり、φLINE2が常にロー(L)レベルである。これによって、切替部30のスイッチトランジスタTaddはオン状態になり、奇数列のスイッチトランジスタTlineはオン状態になり、偶数列のスイッチトランジスタTlineはオフ状態になる。
In the addition reading mode, the control signal φADD is always at a high (H) level, the control signal φLINE1 is always at a high (H) level, and φLINE2 is always at a low (L) level. As a result, the switch transistor Tadd of the switching
図1、図2、図4を参照して、図4の時刻t10から時刻t40までの間は、図3の場合と同じであるので説明を繰返さない。時刻t40の時点で画素アレイ10を構成する各画素の容量素子Cdには暗信号が保持され、容量素子Csには光信号が保持されている。
1, 2, and 4, the period from time t <b> 10 to time t <b> 40 in FIG. 4 is the same as that in FIG. 3, and therefore description thereof is not repeated. At time t40, a dark signal is held in the capacitive element Cd of each pixel constituting the
次の時刻t40から時刻t50の間で、画素アレイ10の第1行目および第2行目の各画素で生成された暗信号および光信号がそれぞれ4個ずつに加算して読み出される。まず、時刻t41から時刻t42の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
Between the next time t40 and time t50, the dark signal and the optical signal generated in each pixel in the first row and the second row of the
次の時刻t42から時刻t43の間で制御信号φSWdo(1),φSWdo(2)が活性化されることによって、画素アレイ10の第1行目および第2行目の各画素において、スイッチトランジスタSWdoがオン状態になる。このとき、第1列目の列信号線CL(1)と第2列目の列信号線CL(2)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第1、2列目の列信号線CL(1),CL(2)の電圧は、4個の画素PE(1,1),PE(1,2),PE(2,1),PE(2,2)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる(2列目のスイッチトランジスタTlineはオフ状態であるので、第2列目のカラムアンプCAMPは用いられない)。同様に第2i−1列目の列信号線CL(2i−1)と第2i列目の列信号線CL(2i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第2i−1列目および第2i列目の列信号線CL(2i−1),CL(2i)の電圧は、4個の画素PE(1,2i−1),PE(1,2i),PE(2,2i−1),PE(2,2i)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第2i−1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
The control signals φSWdo (1) and φSWdo (2) are activated between the next time t42 and time t43, so that the switch transistors SWdo in each pixel in the first row and the second row of the
次の時刻t43から時刻t44の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
When the control signal φPRE is activated between the next time t43 and time t44, each precharge transistor Tpre of the
次の時刻t44から時刻t45の間で制御信号φSWso(1),φSWso(2)が活性化されることによって、画素アレイ10の第1行目および第2行目の各画素において、スイッチトランジスタSWsoがオン状態になる。このとき、第1列目の列信号線CL(1)と第2列目の列信号線CL(2)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第1、2列目の列信号線CL(1),CL(2)の電圧は、4個の画素PE(1,1),PE(1,2),PE(2,1),PE(2,2)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。同様に第2i−1列目の列信号線CL(2i−1)と第2i列目の列信号線CL(2i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第2i−1列目および第2i列目の列信号線CL(2i−1),CL(2i)の電圧は、4個の画素PE(1,2i−1),PE(1,2i),PE(2,2i−1),PE(2,2i)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第2i−1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
When the control signals φSWso (1) and φSWso (2) are activated between the next time t44 and time t45, the switch transistors SWso in each pixel in the first row and the second row of the
奇数列の各カラムアンプCAMPは、サンプル・ホールドした光信号に対応する電圧と暗信号に対応する電圧との差分を増幅して出力する。奇数列の各A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して出力する。以上で第1行目および第2行目の各画素で生成された画像信号の加算読出が完了する。第3行目以降についても同様に、第2j−1行目と第2j行目(ただし、jは2以上の整数)の各画素が2列ごとに加算読出される。以上によって、画素アレイ10の加算読出が完了する。
Each column amplifier CAMP in the odd-numbered column amplifies and outputs the difference between the voltage corresponding to the sampled and held optical signal and the voltage corresponding to the dark signal. Each A / D converter ADC in the odd column digitally converts the output of the corresponding column amplifier CAMP and outputs the result. Thus, the addition reading of the image signals generated by the pixels in the first row and the second row is completed. Similarly, for the third and subsequent rows, the pixels in the 2j-1th row and the 2jth row (where j is an integer of 2 or more) are added and read every two columns. Thus, the addition reading of the
図5は、図2に示す画素PE(m,n)の変形例の構成を示す回路図である。図5の画素PEA(m,n)において、切替部16の構成が図2の切替部12と異なる。図5に示すように、切替部16は、MOSトランジスタで構成されるスイッチトランジスタSWi,SWo,SWd,SWsを含む。スイッチトランジスタSWi,SWoはこの順で撮像部11の出力ノード13と対応の列信号線CL(n)との間に直列に接続される。スイッチトランジスタSWi,SWoの接続ノード17と容量素子Cdの第1の端子との間にスイッチトランジスタSWdが接続される。容量素子Cdの第2の端子は接地ノードGNDに接続される。さらに、接続ノード17と容量素子Csの第1の端子との間にスイッチトランジスタSWsが接続される。容量素子Csの第2の端子は接地ノードGNDに接続される。スイッチトランジスタSWi,SWd,SWs,SWoの各制御電極には、画素アレイ10の列ごとに設けられた4本の行信号線によって、制御信号φSWi,φSWd,φSWs,φSWo(m)が供給される。制御信号φSWi,φSWd,φSWsは各行で共通の信号であり、φSWo(m)は各行で別々の信号である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a modification of the pixel PE (m, n) shown in FIG. In the pixel PEA (m, n) of FIG. 5, the configuration of the switching
暗信号を容量素子Cdに保持する場合には、リセットトランジスタRSTによってフローティングディフュージョンFDの電圧をリセットした後に、制御信号φSWi、φSWdを活性化することによってスイッチトランジスタSWi,SWdをオン状態にする。光信号を容量素子Csに保持する場合には、転送トランジスタTXによってフォトダイオードPDに発生した電荷をフローティングディフュージョンFDに転送した後に、制御信号φSWi,φSWsを活性化することによってスイッチトランジスタSWi,SWsをオン状態にする。容量素子Cdに保持された暗信号を読み出す場合には、制御信号φSWd,φSWo(m)を活性化することによってスイッチトランジスタSWd,SWoをオン状態にする。容量素子Csに保持された光信号を読み出す場合には、制御信号φSWs,φSWo(m)を活性化することによってスイッチトランジスタSWs,SWoをオン状態にする。図5のその他の点については図2と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。 When holding the dark signal in the capacitive element Cd, the reset transistors RST reset the voltage of the floating diffusion FD, and then activate the control signals φSWi and φSWd to turn on the switch transistors SWi and SWd. When the optical signal is held in the capacitive element Cs, the charges generated in the photodiode PD by the transfer transistor TX are transferred to the floating diffusion FD, and the switch transistors SWi and SWs are activated by activating the control signals φSWi and φSWs. Turn on. When reading the dark signal held in the capacitive element Cd, the switch transistors SWd and SWo are turned on by activating the control signals φSWd and φSWo (m). When reading the optical signal held in the capacitive element Cs, the switch transistors SWs and SWo are turned on by activating the control signals φSWs and φSWo (m). Since the other points of FIG. 5 are the same as those of FIG. 2, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
各画素PEに設けられた切替部12,16の構成は、図2、図5に示した場合に限られない。容量素子Cd,Csの各第1の端子が撮像部11の出力ノード13に接続された状態、対応の列信号線CLに接続された状態、および各第1の端子が出力ノード13および対応の列信号線CLの両方に非接続の状態のいずれか1つの状態に切替えることができれば、切替部の構成はどのような構成であってもよい。
The configuration of the switching
以上のとおり、実施の形態1の固体撮像装置1によれば、各画素PEに容量素子Cd,Csを設けることによってグローバル電子シャッタを実現することができる。さらに、容量素子Cd,Csの接続を切替える切替部12または16を各画素PEに設けることによって、同一列に設けられた所定数の画素について画素加算を行なうことができる。さらに、所定数の列信号線CLを相互に電気的に接続する切替部30を設けることによって、互いに異なる列に設けられた所定数の画素について画素加算を行なうことができる。
As described above, according to the solid-
<実施の形態2>
図6は、この発明の実施の形態2による固体撮像装置2の構成を示す回路図である。図6の固体撮像装置2は、図1の切替部30に代えて切替部31を含む点で、図1の固体撮像装置1と異なる。さらに、図6の切替部31に供給される制御信号が、図1の切替部30に供給される制御信号と異なる。その他の点については図6の固体撮像装置2は図1の固体撮像装置1と同一であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
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FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-
列信号線CLの本数をN本とすると、図6に示す切替部31は、N−1個のスイッチトランジスタTadd1,Tadd2,…,TaddN−1と、N個のスイッチトランジスタTline1,Tline2,…,TlineNとを含む。第1番目のスイッチトランジスタTadd1は、第1列目の列信号線CL(1)と第2列目の列信号線CL(2)とに接続される。同様に、第p番目(pは1以上N−1以下の整数)のスイッチトランジスタTaddpは第p列目の列信号線CL(p)と第p+1列目の列信号線CL(p+1)とに接続される。スイッチトランジスタTadd1〜TaddN−1のゲート電極には、それぞれ制御信号φADD1〜φADDN−1が行信号線を介して供給される。
When the number of column signal lines CL is N, the switching
スイッチトランジスタTline1〜TlineNは、それぞれ列信号線CL(1)〜CL(N)に挿入される。各スイッチトランジスタTlineは、対応の列信号線CLに設けれたカラムアンプCAMPの入力ノードと、対応の列信号線CLとスイッチトランジスタTaddとを接続する接続ノードとの間に設けられる。スイッチトランジスタTline1〜TlineNのゲート電極には、制御信号φLINE1〜φLINENがそれぞれ供給される。 The switch transistors Tline1 to TlineN are inserted into the column signal lines CL (1) to CL (N), respectively. Each switch transistor Tline is provided between an input node of a column amplifier CAMP provided on the corresponding column signal line CL and a connection node connecting the corresponding column signal line CL and the switch transistor Tadd. Control signals φLINE1 to φLINEN are supplied to the gate electrodes of the switch transistors Tline1 to TlineN, respectively.
上記の構成によれば、画素加算を行なうときの行方向の画素数を変更することができる。たとえば、2行2列の4個の画素PEについて画素加算を行なう場合のように2列分の画像信号を平均化する場合には、奇数番目のスイッチトランジスタTadd1,Tadd3,…をオン状態にし、偶数番目のスイッチトランジスタTadd2,Tadd4,…をオフ状態にする。さらに、奇数列の列信号線CLに設けられたスイッチトランジスタTline1,Tline3,…をオン状態にし、偶数列の列信号線CLに設けられたスイッチトランジスタTline2,Tline4,…をオフ状態にする。スイッチトランジスタTlineについては、逆に、奇数列の列信号線CLに設けられたスイッチトランジスタTlin1,Tline3,…をオフ状態にし、偶数列の列信号線CLに設けられたスイッチトランジスタをオン状態にしてもよい。 According to the above configuration, the number of pixels in the row direction when performing pixel addition can be changed. For example, when averaging image signals for two columns as in the case of pixel addition for four pixels PE in two rows and two columns, odd-numbered switch transistors Tadd1, Tadd3,. The even-numbered switch transistors Tadd2, Tadd4,... Are turned off. Further, the switch transistors Tline1, Tline3,... Provided in the odd-numbered column signal lines CL are turned on, and the switch transistors Tline2, Tline4,. As for the switch transistor Tline, conversely, the switch transistors Tlin1, Tline3,... Provided in the odd-numbered column signal lines CL are turned off, and the switch transistors provided in the even-numbered column signal lines CL are turned on. Also good.
3行3列の9個の画素PEについて画素加算を行なう場合のように3列分の画像信号を平均化する場合には、第1,2,4,5,7,8,…番目のスイッチトランジスタTaddをオン状態にし、第3,6,9,…番目のトランジスタオフ状態にする。さらに、第1,4,7,…番目のスイッチトランジスタTlineをオン状態にし、その他のスイッチトランジスタTlineをオフ状態にする。 The first, second, fourth, fifth, seventh, eighth,... Switch is used when averaging three columns of image signals as in the case of pixel addition for nine pixels PE in three rows and three columns. The transistor Tadd is turned on, and the third, sixth, ninth,..., Transistors are turned off. Further, the first, fourth, seventh,... Switch transistors Tline are turned on, and the other switch transistors Tline are turned off.
<実施の形態3>
実施の形態3では、カラー撮像方式の固体撮像装置の例について説明する。
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In
図7は、この発明の実施の形態3による固体撮像装置3の構成を示す回路図である。図7の固体撮像装置3において、画素アレイ10Aの構成、画素アレイ10Aに供給される制御信号、切替部32の構成、および切替部32に供給される制御信号が図1の固体撮像装置1と異なる。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a solid-
画素アレイ10Aは、各画素PEの受光面上に形成されたカラーフィルタをさらに含む点で図1の画素アレイ10と異なる。図7の場合カラーフィルタの配列はベイヤー方式である。すなわち、画素アレイ10Aの奇数行には赤色フィルタ(R)と緑色フィルタ(Gr)とが交互に配列され、偶数行には緑色フィルタ(Gb)と青色フィルタ(B)とが交互に配列される。各画素PEの回路構成は図2の場合と同じである。
The
画素アレイ10Aの各行には、制御信号φRST,φTX,φSWdi,φSWdoを供給するための4本の行信号線が設けられる。制御信号φRST,φTX,φSWdi,φSWdoは各行で共通である。この点は図1の場合と同じであるので、図7では図示を省略している。
Each row of the
画素アレイ10Aの奇数行には、さらに、制御信号φSWdo_r,φSWso_r,φSWdo_gr,φSWso_grを供給する4本の行信号線が設けられる。制御信号φSWdo_r,φSWso_rを供給する信号線は、赤色フィルタ(R)が設けられた画素PEのスイッチトランジスタSWdo,SWsoのゲート電極にそれぞれ接続される。制御信号φSWdo_gr,φSWso_grを供給する信号線は、緑色フィルタ(Gr)が設けられた画素PEのスイッチトランジスタSWdo,SWsoのゲート電極にそれぞれ接続される。画素アレイ10Aの偶数行には、さらに、制御信号φSWdo_b,φSWso_b,φSWdo_gb,φSWso_gbを供給する4本の行信号線が設けられる。制御信号φSWdo_b,φSWso_bを供給する信号線は、青色フィルタ(B)が設けられた画素PEのスイッチトランジスタSWdo,SWsoのゲート電極にそれぞれ接続される。制御信号φSWdo_gb,φSWso_gbを供給する信号線は、緑色フィルタ(Gb)が設けられた画素PEのスイッチトランジスタSWdo,SWsoのゲート電極にそれぞれ接続される。これらの制御信号は列ごとに異なるので、図7に示すように信号名の後に(行番号)を付記して区別している。
In the odd-numbered rows of the
切替部32は、MOSトランジスタによって構成される複数のスイッチトランジスタTadd,Tlineと、制御信号φADD1,φADD2,φLINE1,φLINE2を供給する4本の行信号線とを含む。
The switching
図7に示すように、第1番目のスイッチトランジスタTaddは、第1列目の列信号線CL(1)と第3列目の列信号線CL(3)とに接続される。第2番目のスイッチトランジスタTaddは、第2列目の列信号線CL(2)と第4列目の列信号線CL(4)とに接続される。同様に、第2i−1番目(iは1以上の整数)のスイッチトランジスタTaddは、第4i−3列目の列信号線CL(4i−3)と第4i−1列目の列信号線CL(4i−1)とに接続される。第2i番目(iは1以上の整数)のスイッチトランジスタTaddは、第4i−2列目の列信号線CL(4i−2)と第4i列目の列信号線CL(4i)とに接続される。奇数番目(第2i−1番目)のスイッチトランジスタTaddのゲート電極には制御信号φADD1が供給される。偶数番目(第2i番目)のスイッチトランジスタTaddのゲート電極には制御信号φADD2が供給される。 As shown in FIG. 7, the first switch transistor Tadd is connected to the first column signal line CL (1) and the third column signal line CL (3). The second switch transistor Tadd is connected to the second column signal line CL (2) and the fourth column signal line CL (4). Similarly, the 2i-1th (i is an integer greater than or equal to 1) switch transistor Tadd includes the column signal line CL (4i-3) of the 4i-3th column and the column signal line CL of the 4i-1th column. (4i-1). The 2i-th (i is an integer greater than or equal to 1) switch transistor Tadd is connected to the column signal line CL (4i-2) of the 4i-2th column and the column signal line CL (4i) of the 4ith column. The A control signal φADD1 is supplied to the gate electrode of the odd-numbered (2i−1) -th switch transistor Tadd. A control signal φADD2 is supplied to the gate electrode of the even-numbered (2i-th) switch transistor Tadd.
スイッチトランジスタTlineは、各列信号線CLに挿入される。各スイッチトランジスタTlineは、対応の列信号線CLに設けられたカラムアンプCAMPの入力ノードと、対応の列信号線CLとスイッチトランジスタTaddとを接続する接続ノードとの間に設けられる。第1、第2列目の列信号線CL(1),CL(2)に設けられたスイッチトランジスタTlineには、制御信号φLINE1が供給される。第3、第4列目の列信号線CL(3),CL(4)に設けられたスイッチトランジスタTlineのゲート電極には、制御信号φLINE2が供給される。同様に、第4i−3、第4i−2列目(iは1以上の整数)の列信号線CL(4i−3),CL(4i−2)に設けられたスイッチトランジスタTlineのゲート電極には、制御信号φLINE1が供給される。第4i−1、第4i列目(iは1以上の整数)の列信号線CL(4i−1),CL(4i)に設けられたスイッチトランジスタTlineのゲート電極には、制御信号φLINE2が供給される。 The switch transistor Tline is inserted in each column signal line CL. Each switch transistor Tline is provided between an input node of a column amplifier CAMP provided on the corresponding column signal line CL and a connection node connecting the corresponding column signal line CL and the switch transistor Tadd. A control signal φLINE1 is supplied to the switch transistor Tline provided in the first and second column signal lines CL (1) and CL (2). A control signal φLINE2 is supplied to the gate electrode of the switch transistor Tline provided in the third and fourth column signal lines CL (3) and CL (4). Similarly, the gate electrode of the switch transistor Tline provided in the column signal lines CL (4i-3) and CL (4i-2) in the 4i-3th and 4i-2th columns (i is an integer of 1 or more). Is supplied with a control signal φLINE1. The control signal φLINE2 is supplied to the gate electrode of the switch transistor Tline provided in the column signal lines CL (4i-1) and CL (4i) of the 4i-1th and 4ith columns (i is an integer of 1 or more). Is done.
次に、固体撮像装置3の動作について説明する。固体撮像装置3は、動作モードとして全画素読出モードと加算読出モードとを有する。
Next, the operation of the solid-
全画素読出モードでは、制御信号φADD1,φADD2が常にロー(L)レベル(非活性状態)であり、制御信号φLINE1,φLINE2が常にハイ(H)レベル(活性状態)である。これによって、切替部30のスイッチトランジスタTaddはオフ状態になり、スイッチトランジスタTlineはオン状態になる。全画素読出モードにおける固体撮像装置3の動作は図3の場合と同様であるので説明を繰返さない。ただし、図3の制御信号φSWdo,φSWsoについては、固体撮像装置3の場合には、カラーフィルタの色ごとに異なる制御信号が用いられる。
In the all-pixel readout mode, the control signals φADD1 and φADD2 are always at the low (L) level (inactive state), and the control signals φLINE1 and φLINE2 are always at the high (H) level (active state). As a result, the switch transistor Tadd of the switching
一方、加算読出モードでは、カラーフィルタの色ごとに2行2列分の4個の画素の信号が加算される。 On the other hand, in the addition reading mode, signals of four pixels for two rows and two columns are added for each color of the color filter.
図8は、加算読出モードにおける固体撮像装置3の動作を説明するためのタイミング図である。図8には、図7の垂直走査回路22から出力される制御信号φRST,φTX,φSWdi,φSWsi,φSWdo_gr(1),φSWso_gr(1),φSWdo_r(1),φSWso_r(1),φSWdo_gb(2),φSWso_gb(2),φSWdo_b(2),φSWso_b(2),φSWdo_gr(3),φSWso_gr(3),φSWdo_r(3),φSWso_r(3),φSWdo_gb(4),φSWso_gb(4),φSWdo_b(4),φSWso_b(4)の各パルス波形と、プリチャージ部25および切替部32に設けられた水平信号線に供給される制御信号φPRE,φADD1,φADD2,φLINE1,φLINE2の各パルス波形とが示される。制御信号φSWdo_gr,φSWso_gr,φSWdo_r,φSWso_rについては第1行目と第3行目の信号のみが示され、制御信号φSWdo_gb,φSWso_gb,φSWdo_b,φSWso_bについては第2行目と第4行目の信号のみが示されている。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation of the solid-
加算読出モードでは、制御信号φADD1,φADD2が常にハイ(H)レベルであり、制御信号φLINE1が常にハイ(H)レベルであり、φLINE2が常にロー(L)レベルである。これによって、切替部32のスイッチトランジスタTadd1,Tadd2はオン状態になり、第4i−3列目、第4i−2列目(iは1以上の整数)のスイッチトランジスタTlineはオン状態になり、第4i−1列目、第4i列目のスイッチトランジスタTlineはオフ状態になる。
In the addition reading mode, the control signals φADD1 and φADD2 are always at a high (H) level, the control signal φLINE1 is always at a high (H) level, and φLINE2 is always at a low (L) level. As a result, the switch transistors Tadd1 and Tadd2 of the switching
図2、図7、図8を参照して、図8の時刻t10から時刻t40までの間は、図3の場合と同じであるので説明を繰返さない。時刻t40の時点で画素アレイ10Aを構成する各画素PEの容量素子Cdには暗信号が保持され、容量素子Csには光信号が保持されている。
2, 7, and 8, the period from time t <b> 10 to time t <b> 40 in FIG. 8 is the same as that in FIG. 3, and therefore description thereof will not be repeated. At time t40, a dark signal is held in the capacitive element Cd of each pixel PE constituting the
次の時刻t40から時刻t50の間で、画素アレイ10Aの第1、第3行目の各画素で生成された光信号および暗信号が、赤色フィルタ(R)の設けられた4個の画素PEごと、および緑色フィルタ(Gr)の設けられた4個の画素PEごとにそれぞれ加算して読み出される。まず、時刻t41から時刻t42の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
Between the next time t40 and time t50, the light signal and the dark signal generated in each pixel in the first and third rows of the
次の時刻t42から時刻t43の間で制御信号φSWdo_gr(1),φSWdo_r(1),φSWdo_gr(3),φSWdo_r(3)が活性化されることによって、画素アレイ10Aの第1行目および第3行目の各画素において、スイッチトランジスタSWdoがオン状態になる。このとき、第1列目の列信号線CL(1)と第3列目の列信号線CL(3)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第1、第3列目の列信号線CL(1),CL(3)の電圧は、赤色フィルタ(R)が設けられた4個の画素PE(1,1),PE(1,3),PE(3,1),PE(3,3)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる(第3列目のスイッチトランジスタTlineはオフ状態であるので、第3列目のカラムアンプCAMPは用いられない)。第2列目の列信号線CL(2)と第4列目の列信号線CL(4)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第2、第4列目の列信号線CL(2),CL(4)の電圧は、緑色フィルタ(Gr)が設けられた4個の画素PE(1,2),PE(1,4),PE(3,2),PE(3,4)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる(第4列目のスイッチトランジスタTlineはオフ状態であるので、第4列目のカラムアンプCAMPは用いられない)。
The control signals φSWdo_gr (1), φSWdo_r (1), φSWdo_gr (3), and φSWdo_r (3) are activated between the next time t42 and time t43, so that the first and third rows of the
同様に、第4i−3列目の列信号線CL(4i−3)と第4i−1列目の列信号線CL(4i−1)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−3列目および第4i−1列目の列信号線CL(4i−3),CL(4i−1)の電圧は、赤色フィルタ(R)が設けられた4個の画素PE(1,4i−3),PE(1,4i−1),PE(3,4i−3),PE(3,4i−1)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−3列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。第4i−2列目の列信号線CL(4i−2)と第4i列目の列信号線CL(4i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−2列目および第4i列目の列信号線CL(4i−2),CL(4i)の電圧は、緑色フィルタ(Gr)が設けられた4個の画素PE(1,4i−2),PE(1,4i),PE(3,4i−2),PE(3,4i)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。 Similarly, the column signal line CL (4i-3) in the 4i-3rd column and the column signal line CL (4i-1) in the 4i-1th column (where i is an integer equal to or greater than 1) are in the ON state. Therefore, the voltages of the column signal lines CL (4i-3) and CL (4i-1) of the 4i-3th column and the 4i-1th column are red filter ( The dark signals of the four pixels PE (1, 4i-3), PE (1, 4i-1), PE (3, 4i-3), and PE (3, 4i-1) provided with R) are provided. It becomes the averaged voltage. The averaged voltage is sampled and held by the column amplifier CAMP in the 4i-3rd column. The column signal line CL (4i-2) of the 4i-2th column and the column signal line CL (4i) of the 4ith column (where i is an integer equal to or greater than 1) are connected via the switch transistor Tadd. Since it is in the conductive state, the voltages of the column signal lines CL (4i-2) and CL (4i) of the 4i-2th column and the 4ith column are the four pixels PE provided with the green filter (Gr). This is a voltage obtained by averaging the dark signals of (1, 4i-2), PE (1, 4i), PE (3,4 i-2), and PE (3, 4i). The averaged voltage is sampled and held by the column amplifier CAMP in the 4i-2th column.
次の時刻t43から時刻t44の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
When the control signal φPRE is activated between the next time t43 and time t44, each precharge transistor Tpre of the
次の時刻t44から時刻t45の間で制御信号φSWso_gr(1),φSWso_r(1),φSWso_gr(3),φSWso_r(3)が活性化されることによって、画素アレイ10Aの第1行目および第3行目の各画素において、スイッチトランジスタSWsoがオン状態になる。このとき、第4i−3列目の列信号線CL(4i−3)と第4i−1列目の列信号線CL(4i−1)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−3列目および第4i−1列目の列信号線CL(4i−3),CL(4i−1)の電圧は、赤色フィルタ(R)が設けられた4個の画素PE(1,4i−3),PE(1,4i−1),PE(3,4i−3),PE(3,4i−1)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−3列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。第4i−2列目の列信号線CL(4i−2)と第4i列目の列信号線CL(4i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−2列目および第4i列目の列信号線CL(4i−2),CL(4i)の電圧は、緑色フィルタ(Gr)が設けられた4個の画素PE(1,4i−2),PE(1,4i),PE(3,4i−2),PE(3,4i)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
The control signals φSWso_gr (1), φSWso_r (1), φSWso_gr (3), and φSWso_r (3) are activated between the next time t44 and time t45, so that the first and third rows of the
第4i−3列目および第4i−2列目(ただし、iは1以上の整数)の各カラムアンプCAMPは、サンプル・ホールドした光信号に対応する電圧と暗信号に対応する電圧との差分を増幅して出力する。第4i−3列目および第4i−2列目(ただし、iは1以上の整数)の各A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して出力する。以上で第1行目および第3行目の各画素で生成された光信号および暗信号の加算読出が完了する。 Each column amplifier CAMP in the 4i-3rd column and the 4i-2th column (where i is an integer equal to or greater than 1) has a difference between the voltage corresponding to the sampled and held optical signal and the voltage corresponding to the dark signal. Is amplified and output. Each A / D converter ADC in the 4i-3rd column and the 4i-2th column (where i is an integer of 1 or more) digitally converts the output of the corresponding column amplifier CAMP and outputs the result. Thus, the addition reading of the optical signal and the dark signal generated in each pixel in the first row and the third row is completed.
次の時刻t50から時刻t60の間で、画素アレイ10Aの第2、第4行目の各画素で生成された光信号および暗信号が、青色フィルタ(B)が設けられた4個の画素PEごと、および緑色フィルタ(Gb)が設けられた4個の画素PEごとに加算して読み出される。まず、時刻t51から時刻t52の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
Between the next time t50 and time t60, the light signal and the dark signal generated in each pixel in the second and fourth rows of the
次の時刻t52から時刻t53の間で制御信号φSWdo_gb(2),φSWdo_b(2),φSWdo_gb(4),φSWdo_b(4)が活性化されることによって、画素アレイ10Aの第2行目および第4行目の各画素において、スイッチトランジスタSWdoがオン状態になる。このとき、第1列目の列信号線CL(1)と第3列目の列信号線CL(3)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第1、第3列目の列信号線CL(1),CL(3)の電圧は、緑色フィルタ(Gb)が設けられた4個の画素PE(2,1),PE(2,3),PE(4,1),PE(4,3)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第1列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。第2列目の列信号線CL(2)と第4列目の列信号線CL(4)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第2、第4列目の列信号線CL(2),CL(4)の電圧は、青色フィルタ(B)が設けられた4個の画素PE(2,2),PE(2,4),PE(4,2),PE(4,4)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
The control signals φSWdo_gb (2), φSWdo_b (2), φSWdo_gb (4), and φSWdo_b (4) are activated between the next time t52 and time t53, whereby the second and fourth rows of the
同様に第4i−3列目の列信号線CL(4i−3)と第4i−1列目の列信号線CL(4i−1)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−3列目および第4i−1列目の列信号線CL(4i−3),CL(4i−1)の電圧は、緑色フィルタ(Gb)が設けられた4個の画素PE(2,4i−3),PE(2,4i−1),PE(4,4i−3),PE(4,4i−1)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−3列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。第4i−2列目の列信号線CL(4i−2)と第4i列目の列信号線CL(4i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−2列目および第4i列目の列信号線CL(4i−2),CL(4i)の電圧は、青色フィルタ(B)が設けられた4個の画素PE(2,4i−2),PE(2,4i),PE(4,4i−2),PE(4,4i)の各暗信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。 Similarly, the column signal line CL (4i-3) of the 4th-3th column and the column signal line CL (4i-1) of the 4i-1th column (where i is an integer of 1 or more) are in the on state. Since it is in a conductive state via the switch transistor Tadd, the voltages of the column signal lines CL (4i-3) and CL (4i-1) of the 4i-3rd column and the 4i-1th column are green filters (Gb ) Are averaged over the dark signals of the four pixels PE (2,4i-3), PE (2,4i-1), PE (4,4i-3), and PE (4,4i-1). Voltage. The averaged voltage is sampled and held by the column amplifier CAMP in the 4i-3rd column. The column signal line CL (4i-2) of the 4i-2th column and the column signal line CL (4i) of the 4ith column (where i is an integer equal to or greater than 1) are connected via the switch transistor Tadd. Since it is in the conducting state, the voltages of the column signal lines CL (4i-2) and CL (4i) of the 4i-2th column and the 4ith column are the four pixels PE provided with the blue filter (B). This is a voltage obtained by averaging the dark signals of (2, 4i-2), PE (2, 4i), PE (4, 4i-2), and PE (4, 4i). The averaged voltage is sampled and held by the column amplifier CAMP in the 4i-2th column.
次の時刻t53から時刻t54の間で制御信号φPREが活性化されることによって、プリチャージ部25の各プリチャージトランジスタTpreがオン状態になる。これによって、各列信号線CLの容量Cvが所定のプリチャージ電圧Vpreにプリチャージされる。
The control signal φPRE is activated between the next time t53 and time t54, whereby each precharge transistor Tpre of the
次の時刻t54から時刻t55の間で制御信号φSWso_gb(2),φSWso_b(2),φSWso_gb(4),φSWso_b(4)が活性化されることによって、画素アレイ10Aの第2行目および第4行目の各画素において、スイッチトランジスタSWsoがオン状態になる。このとき、第4i−3列目の列信号線CL(4i−3)と第4i−1列目の列信号線CL(4i−1)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−3列目および第4i−1列目の列信号線CL(4i−3),CL(4i−1)の電圧は、緑色フィルタ(Gb)が設けられた4個の画素PE(2,4i−3),PE(2,4i−1),PE(4,4i−3),PE(4,4i−1)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−3列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。第4i−2列目の列信号線CL(4i−2)と第4i列目の列信号線CL(4i)(ただし、iは1以上の整数)とがオン状態のスイッチトランジスタTaddを介して導通状態であるので、第4i−2列目および第4i列目の列信号線CL(4i−2),CL(4i)の電圧は、青色フィルタ(B)が設けられた4個の画素PE(2,4i−2),PE(2,4i),PE(4,4i−2),PE(4,4i)の各光信号を平均化した電圧になる。この平均化された電圧が第4i−2列目のカラムアンプCAMPによってサンプル・ホールドされる。
The control signals φSWso_gb (2), φSWso_b (2), φSWso_gb (4), φSWso_b (4) are activated between the next time t54 and time t55, so that the second and fourth rows of the
第4i−3列目および第4i−2列目(ただし、iは1以上の整数)の各カラムアンプCAMPは、サンプル・ホールドした光信号に対応する電圧と暗信号に対応する電圧との差分を増幅して出力する。第4i−3列目および第4i−2列目(ただし、iは1以上の整数)の各A/D変換器ADCは、対応のカラムアンプCAMPの出力をデジタル変換して出力する。以上で第2行目および第4行目の各画素で生成された光信号および暗信号の加算読出が完了する。第5行目以降についても同様に、カラーフィルタの色ごとに2行2列分の4個の画素の信号が加算される。以上によって、画素アレイ10Aの加算読出が完了する。
Each column amplifier CAMP in the 4i-3rd column and the 4i-2th column (where i is an integer equal to or greater than 1) has a difference between the voltage corresponding to the sampled and held optical signal and the voltage corresponding to the dark signal. Is amplified and output. Each A / D converter ADC in the 4i-3rd column and the 4i-2th column (where i is an integer of 1 or more) digitally converts the output of the corresponding column amplifier CAMP and outputs the result. Thus, the addition reading of the optical signal and the dark signal generated in each pixel in the second row and the fourth row is completed. Similarly for the fifth and subsequent rows, signals of four pixels for two rows and two columns are added for each color of the color filter. Thus, the addition reading of the
上記では、2×2の4個の画素PEを画素加算する場合について説明したが、切替部の構成を変更することによって、3×3など他の画素数の画素加算を行なうことができる。 In the above description, the case where the 2 × 2 four pixels PE are added has been described. However, by changing the configuration of the switching unit, it is possible to perform pixel addition of another number of pixels such as 3 × 3.
<カメラ用の半導体装置の構成>
図9は、この発明の固体撮像装置1〜3が適用されるカメラ用の半導体装置の構成を示すブロック図である。図9に示すカメラシステム100は、実施の形態1〜3で説明した固体撮像装置1〜3のいずれか1つが組み込まれたLSI(Large-Scale Integration)回路である半導体装置101と、マイクロコントローラユニット(MCU:Micro Controller Unit)106と、電源チップ107と、液晶表示装置(LCD:Liquid Crystal Display)108と、フレームバッファ109とを含む。半導体装置101は、固体撮像装置1の他に駆動IC(Integrated Circuit)102と、画像処理エンジン103と、メモリカードインターフェース(I/F)104とを含む。
<Configuration of semiconductor device for camera>
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor device for a camera to which the solid-
図9において、MCU106は、カメラシステム100の全体を制御する。電源チップ107は、所定の直流電圧を生成して固体撮像装置1に供給する。駆動IC102は、MCU106の命令を受けて固体撮像装置1へ供給する駆動パルス信号を生成する。固体撮像装置1は、カメラシステム100内に設けられたレンズ(図示省略)によって結像された被写体の像を、光強度に応じた電気信号に変換して画像処理エンジン103へ転送する。画像処理エンジン103は、固体撮像装置1から受けた画像信号を加工して画像データIDを生成する。画像処理エンジン103で生成された画像データIDは、メモリカードI/F104を介して、専用スロットに装着される取り外し可能なメモリカードに転送される。画像処理エンジン103で生成された画像データIDは、さらに、液晶表示装置108やフレームバッファ109(カメラシステム100の内蔵メモリ)に出力される。
In FIG. 9, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1〜3 固体撮像装置、10,10A 画素アレイ、11 撮像部、12,16 切替部、30,31,32 切替部、13 出力ノード、20 制御部、21 制御論理回路、22 垂直走査回路、25 プリチャージ部、101 半導体装置、AMI 増幅トランジスタ、CL 列信号線、Cd,Cs 容量素子、FD フローティングディフュージョン、GND 接地ノード、PD フォトダイオード、PE,PEA 画素、RST リセットトランジスタ、SWdi,SWsi,SWdo,SWso スイッチトランジスタ(切替部12用)、SWd,SWs,SWi,SWo スイッチトランジスタ(切替部16用)、Tadd,Tline スイッチトランジスタ(切替部30用)、TX 転送トランジスタ。 1-3 solid-state imaging device, 10, 10A pixel array, 11 imaging unit, 12, 16 switching unit, 30, 31, 32 switching unit, 13 output node, 20 control unit, 21 control logic circuit, 22 vertical scanning circuit, 25 Precharge unit, 101 semiconductor device, AMI amplification transistor, CL column signal line, Cd, Cs capacitive element, FD floating diffusion, GND ground node, PD photodiode, PE, PEA pixel, RST reset transistor, SWdi, SWsi, SWdo, SWso switch transistor (for switching unit 12), SWd, SWs, SWi, SWo switch transistor (for switching unit 16), Tadd, Tline switch transistor (for switching unit 30), TX transfer transistor.
Claims (7)
前記画素アレイの各列に個別に対応して設けられた複数の列信号線とを備え、
前記画素アレイを構成する複数の画素の各々は、
光電変換によって生成された電荷量に応じた第1の電圧を出力する撮像部と、
一端が基準電圧を与える基準ノードに接続される第1の容量素子と、
前記第1の容量素子の他端が前記撮像部の出力ノードに接続された状態、前記第1の容量素子の他端が対応の列信号線に接続された状態、および前記第1の容量素子の他端が前記出力ノードおよび対応の列信号線の両方に非接続の状態のいずれか1つの状態に切替える第1の切替部とを含む、固体撮像装置。 A pixel array having a plurality of pixels arranged in a matrix;
A plurality of column signal lines provided individually corresponding to each column of the pixel array,
Each of the plurality of pixels constituting the pixel array is
An imaging unit that outputs a first voltage corresponding to the amount of charge generated by photoelectric conversion;
A first capacitive element having one end connected to a reference node providing a reference voltage;
A state in which the other end of the first capacitive element is connected to an output node of the imaging unit, a state in which the other end of the first capacitive element is connected to a corresponding column signal line, and the first capacitive element A solid-state imaging device including: a first switching unit configured to switch the other end of the first switching unit to any one of the unconnected states of the output node and the corresponding column signal line.
前記固体撮像装置は、さらに、一端が前記基準ノードに接続される第2の容量素子を備え、
前記第1の切替部は、さらに、前記第2の容量素子の他端が前記撮像部の出力ノードに接続された状態、前記第2の容量素子の他端が対応の列信号線に接続された状態、および前記第2の容量素子の他端が前記出力ノードおよび対応の列信号線の両方に非接続の状態のいずれか1つの状態に切替える、請求項1に記載の固体撮像装置。 The imaging unit further outputs a second voltage when the charge generated by the photoelectric conversion is reset,
The solid-state imaging device further includes a second capacitive element having one end connected to the reference node,
In the first switching unit, the other end of the second capacitor is connected to the output node of the imaging unit, and the other end of the second capacitor is connected to a corresponding column signal line. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the state is switched to one of a state where the other end of the second capacitive element is not connected to both the output node and the corresponding column signal line.
前記固体撮像装置は、同一のグループに属する列信号線を相互に電気的に接続する第2の切替部をさらに備える、請求項2に記載の固体撮像装置。 The plurality of column signal lines are divided into a plurality of groups each including a plurality of column signal lines,
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising a second switching unit that electrically connects column signal lines belonging to the same group.
前記固体撮像装置は、制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記画素アレイを構成する各画素において、前記第1の切替部を用いて前記第1の容量素子の前記他端を前記出力ノードに接続することによって、前記撮像部から出力された前記第1の電圧を前記第1の容量素子に保持させ、
前記制御部は、前記画素アレイを構成する各画素において、前記第1の切替部を用いて前記第2の容量素子の前記他端を前記出力ノードに接続することによって、前記撮像部から出力された前記第2の電圧を前記第2の容量素子に保持させ、
前記制御部は、前記画素加算モードにおいて同一列の複数の画素に対して前記第1の容量素子に保持された前記第1の電圧を加算するときには、加算対象の画素の各々において前記第1の容量素子の前記他端を前記第1の切替部によって対応の列信号線に接続し、
前記制御部は、前記画素加算モードにおいて同一列の複数の画素に対して前記第2の容量素子に保持された前記第2の電圧を加算するときには、加算対象の画素の各々において前記第2の容量素子の前記他端を前記第1の切替部によって対応の列信号線に接続する、請求項2または3に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device has, as an operation mode, a pixel addition mode in which the output voltage of each imaging unit is added and read for each predetermined number of pixels,
The solid-state imaging device further includes a control unit,
The control unit is output from the imaging unit by connecting the other end of the first capacitive element to the output node using the first switching unit in each pixel constituting the pixel array. Holding the first voltage in the first capacitor,
The control unit is output from the imaging unit by connecting the other end of the second capacitive element to the output node using the first switching unit in each pixel constituting the pixel array. Holding the second voltage in the second capacitor element;
When the controller adds the first voltage held in the first capacitor to a plurality of pixels in the same column in the pixel addition mode, the control unit adds the first voltage to each pixel to be added. Connecting the other end of the capacitive element to a corresponding column signal line by the first switching unit;
When the controller adds the second voltage held in the second capacitor to a plurality of pixels in the same column in the pixel addition mode, the control unit adds the second voltage to each pixel to be added. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the other end of the capacitive element is connected to a corresponding column signal line by the first switching unit.
前記固体撮像装置は、制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記画素アレイを構成する各画素において、前記第1の切替部を用いて前記第1の容量素子の前記他端を前記出力ノードに接続することによって、前記撮像部から出力された前記第1の電圧を前記第1の容量素子に保持させ、
前記制御部は、前記画素アレイを構成する各画素において、前記第1の切替部を用いて前記第2の容量素子の前記他端を前記出力ノードに接続することによって、前記撮像部から出力された前記第2の電圧を前記第2の容量素子に保持させ、
前記制御部は、前記画素加算モードにおいて互いに異なる列に設けられた複数の画素に対して前記第1の容量素子に保持された前記第1の電圧を加算するときには、加算対象の画素にそれぞれ対応する列信号線を前記第2の切替部によって接続した状態で、加算対象の画素の各々において前記第1の容量素子の前記他端を前記第1の切替部によって対応の列信号線に接続し、
前記制御部は、前記画素加算モードにおいて互いに異なる列に設けられた複数の画素に対して前記第2の容量素子に保持された前記第2の電圧を加算するときには、加算対象の画素にそれぞれ対応する列信号線を前記第2の切替部によって接続した状態で、加算対象の画素の各々において前記第2の容量素子の前記他端を前記第1の切替部によって対応の列信号線に接続する、請求項3に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device has, as an operation mode, a pixel addition mode in which the output voltage of each imaging unit is added and read for each predetermined number of pixels,
The solid-state imaging device further includes a control unit,
The control unit is output from the imaging unit by connecting the other end of the first capacitive element to the output node using the first switching unit in each pixel constituting the pixel array. Holding the first voltage in the first capacitor,
The control unit is output from the imaging unit by connecting the other end of the second capacitive element to the output node using the first switching unit in each pixel constituting the pixel array. Holding the second voltage in the second capacitor element;
When the controller adds the first voltage held in the first capacitor to a plurality of pixels provided in different columns in the pixel addition mode, the controller corresponds to each pixel to be added. In the state where the column signal line to be connected is connected by the second switching unit, the other end of the first capacitive element is connected to the corresponding column signal line by the first switching unit in each pixel to be added. ,
When the controller adds the second voltage held in the second capacitor element to a plurality of pixels provided in different columns in the pixel addition mode, the controller corresponds to each pixel to be added. In the state where the column signal line to be connected is connected by the second switching unit, the other end of the second capacitor element is connected to the corresponding column signal line by the first switching unit in each pixel to be added. The solid-state imaging device according to claim 3.
前記撮像部の出力ノードと前記第1の容量素子の前記他端とに接続された第1のスイッチ素子と、
前記第1の容量素子の前記他端と対応の列信号線とに接続された第2のスイッチ素子と、
前記出力ノードと前記第2の容量素子の前記他端とに接続された第3のスイッチ素子と、
前記第2の容量素子の前記他端と対応の列信号線とに接続された第4のスイッチ素子とを含む、請求項2に記載の固体撮像装置。 The first switching unit includes:
A first switch element connected to an output node of the imaging unit and the other end of the first capacitive element;
A second switch element connected to the other end of the first capacitive element and a corresponding column signal line;
A third switch element connected to the output node and the other end of the second capacitive element;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising a fourth switch element connected to the other end of the second capacitive element and a corresponding column signal line.
前記複数の第5のスイッチ素子の各々は、前記複数の列信号線のうちのいずれか2本に対応し、対応の2本の列信号線に接続され、
前記複数の列信号線の各々は、前記複数の第5のスイッチ素子の少なくとも1つに接続される、請求項3に記載の固体撮像装置。 The second switching unit includes a plurality of fifth switch elements,
Each of the plurality of fifth switch elements corresponds to any two of the plurality of column signal lines, and is connected to the corresponding two column signal lines,
4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein each of the plurality of column signal lines is connected to at least one of the plurality of fifth switch elements.
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WO2016052219A1 (en) * | 2014-10-01 | 2016-04-07 | ソニー株式会社 | Solid-state image capturing device, signal processing method, and electronic apparatus |
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